楼板开洞对钢筋混凝土框剪结构抗震性能的影响

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随着建筑形象的多样化及建筑功能的复杂化,越来越多的不规则建筑拔地而起。楼板开洞尤其是楼板开大洞就是不规则建筑的典型代表。楼板开大洞导致楼板平面内刚度削弱使开洞层水平刚度下降形成薄弱层,在结构薄弱层质心与形心偏移较大,所以在地震作用下受力更加复杂。本文利用MIDAS有限元软件建立了多个15层框剪结构高层模型—楼板不同开洞率模型、楼板不同层开洞模型、楼板同层不同位置开洞模型。分别应用振型分解反应谱法、静力弹塑性计算方法对结构的自振周期、顶点位移、最大层间位移、扭转、底部剪力、塑性铰分布情况、层间位移曲线及柱的内力分布进行了对比分析,结果表明楼板开洞率、不同层开洞及同层不同位置开洞对结构抗震性能影响较大。另外,本文应用大型有限元软件ANSYS对简化后的单层单跨楼板中部开洞结构进行了模拟,分析了在静力荷载下结构开洞处板、梁、柱的应力分布情况,探讨了结构裂缝发展机理。本文主要研究成果如下:   (1)随着开洞率的增加,结构开洞层位于一、二、三层的结构周期变大,开洞层位于其它层的周期变小。在相同开洞率下,开洞层位置越高结构的周期越小;开洞位于角部的周期较大。随着开洞率的增加、开洞层位置的升高,结构的顶点位移是逐渐减小的,开洞位置越高,结构位移越小。结构角部开洞其项层位移较大。楼板开洞模型中,各模型在同一层的层间位移中开洞层较大;楼板中部开洞对结构层间位移影响很小,角部开洞影响较大。项层开洞对结构扭转影响最大,角部居中,中部最小。开洞处柱剪力、弯矩明显减小,扭矩明显增大。   (2)楼板单层开洞时,开洞率为40%、53.3%的结构较晚进入弹塑性阶段;结构楼板开洞层不同时,开洞层位于六、九层的结构较晚进入弹塑性阶段。达到相同目标位移时,开洞率越大的结构其底部剪力越小,开洞位置越高其结构底部剪力越大。楼板多层开洞的结构,开洞层位于底部、顶部的结构最早进入弹塑性阶段,开洞层位于中部的结构居中,隔层开洞最晚进入弹塑性阶段。在开洞层位于结构底部、中部、顶部以及隔层开洞四中开洞位置中,隔层开洞进入塑性区较晚破坏较早,结构延性最差。结构开洞使开洞处梁中断、梁的刚度变小,端部塑性铰开展较充分;开洞层柱缺少梁板有效的约束,长细比较大,柱的线刚度变小,其所分配的剪力弯矩均较小,塑性铰不易出现。   (3)在水平力作用下,与力作用方向平行的板两端主应力较大,中部较小;开洞模型在洞口角部主应力明显大于未开洞模型在同一位置下的主应力,而开洞模型洞口范围内主应力小于未开洞模型。对于开洞和不开洞模型,剪应力在板角部较大,在板中部较小。开洞模型洞口角部剪应力较大,洞口范围内居中。楼板角部、洞口角部的主应力剪应力较大容易开裂。未开洞模型的极限荷载,极限位移、延性比均好于开洞模型。   综上所述:结构在一、二、三层开洞时,其自振周期大于未开洞模型,结构在开洞层的层间位移基本上均大于未开洞模型;结构开洞可能会导致结构局部的刚心和质心偏离而导致结构扭转;开洞使得梁中断从而削弱开洞层的抗侧刚度,容易在开洞层形成薄弱层;洞口处柱子约束减弱,刚度变弱,水平力转移到其它抗侧力构件上,容易导致非洞口处抗侧力构件破坏;开洞模型较晚进入塑性区较早破坏,延性较差,耗能较少;开洞使得洞口处应力变大容易引起构件开裂;所以结构不宜开洞。   本文所做工作旨在通过研究各种楼板开洞方式对结构整体及构件受力性能的影响,为今后平面不规则结构的研究和设计工作提供一定的参考。
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